量子传感器助力追踪轻暗物质运动轨迹
暗物质是一种难以探测的物质形式，它既不发光，也不反射或吸收光，且与普通物质的相互作用极其微弱。这些特性使其无法通过传统粒子探测手段进行研究。
目前，科学家尚未明确暗物质的具体构成。有理论提出，暗物质可能由质量极轻的粒子组成，其质量低于1电子伏特，其行为更像波动而非传统粒子。
近期，东京大学和中央大学的研究人员开展了一项探索，研究如何利用量子传感器技术探测亚GeV量级的暗物质。量子传感器依靠量子力学现象，能够检测极其微弱的信号，因此成为高灵敏度探测的理想工具。
他们在《物理评论快报》发表的论文中指出，这类传感器在追踪轻暗物质的速度和方向方面展现出巨大潜力。
论文第一作者福田晴表示：“我在arXiv浏览量子物理类论文时，注意到分布式量子传感已成为研究热点。我们随即思考，是否可以将这项技术引入高能物理领域，用于暗物质探测。”
追踪轻暗物质的速度与方向
福田团队的研究目标是将量子传感与粒子物理学结合，推动暗物质探测方法的革新。当前，科学家主要通过探测暗物质粒子与原子或原子核碰撞时产生的微弱信号，来寻找质量较大的暗物质。
福田指出：“对于重暗物质，测量其速度在理论上是可行的，尽管实验上仍具挑战性。”
“但对轻暗物质，传统方法依赖离散激发模式，因此无法有效测量其速度。我们提出，通过空间分布式的探测器，可以实现对轻暗物质速度的测量，而不必依赖反冲径迹的信号。”
研究团队提出了一种新方法，结合多探测器系统和量子测量协议，以获取暗物质的速度和方向信息。他们分析了该方法的可行性，结果表明，这种方法有望显著提升探测器的灵敏度。
福田表示：“过去的研究尝试利用细长探测器或传统探测器阵列来寻找轻暗物质，但这些方法往往依赖特定的相互作用类型。而我们的方法基于量子传感器阵列，具有更高的通用性和灵敏度。”
量子传感开辟暗物质探测新路径
这项新方法有望在未来得到进一步优化，并应用于实际实验中。研究不仅为暗物质探测提供了新思路，也可能激励更多粒子物理学家探索量子传感技术在高精度粒子研究中的潜力。
福田补充说：“我们展示了量子技术在高能物理中具有广泛应用的可能。我们相信，量子传感器在我们的研究领域还有更多潜在用途，并期待在后续研究中深入挖掘这一方向。”
“未来我们还计划进一步改进技术，尝试利用传感器阵列不仅测量速度，还研究暗物质的空间分布。”
更多信息：Hajime Fukuda 等人，《利用量子传感器定向搜索轻暗物质》，《物理评论快报》(2025)。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。
期刊信息：Physical Review Letters，arXiv